Propriedades Mecânicas - DEP

4º Capítulo: Propriedades Mecânicas de
Polímeros
4.1 Comportamento mecânico: algumas definições
Na mecânica clássica, as propriedades mecânicas dos sólidos elásticos podem ser
descritas pela lei de Hooke, que afirma que ao aplicar-se uma tensão σ ao material, se verifica
uma deformação ε que lhe é proporcional, sendo a tensão independente da velocidade de
deformação. Quando esta tensão σ é retirada, o corpo recupera completa e instantaneamente a
sua forma inicial.
σ = Eε
em que E é o módulo de Young
As propriedades dos líquidos, por seu lado, são descritas pela lei de Newton. Um fluido
Newtoniano não consegue suportar deformações e a resposta instantânea a uma tensão é o
escoamento viscoso. A tensão é independente da deformação, mas proporcional à velocidade
de deformação:
σ =η
dε
dt
em que η é o coeficiente de viscosidade
4.1 Comportamento mecânico: algumas definições (cont.)
Os materiais poliméricos apresentam um comportamento intermédio entre o de um sólido
elástico, Hookeano, e de um líquido viscoso, Newtoniano. Apresentam frequentemente
contribuição de ambos os tipos de resposta, e a predominância de carácter viscoso ou
elástico da resposta a uma solicitação mecânica depende essencialmente da escala de
tempo da experiência:
A aplicação de uma tensão durante um intervalo de tempo longo provoca normalmente
um escoamento viscoso, e portanto deformação permanente no polímero.
A aplicação de uma deformação muito rápida não dá tempo às moléculas de polímero,
longas e entrelaçadas, de se ajustarem à deformação aplicada, induzindo uma resposta
elástica.
Verifica-se que tanto o módulo de elasticidade, E, como a viscosidade, η, variam com a
forma como a experiência foi realizada. Este tipo de comportamento é classificado como
comportamento viscoelástico
4.1 Comportamento mecânico: algumas definições (cont.)
Considere-se um paralelepípedo de comprimento x0 e secção transversal A0 = y0z0,
sujeito a um par de forças de tracção equilibradas, F, que aumenta o seu comprimento
para x0+dx e obedece à lei de Hooke
Medindo a força por unidade de área e definindo a deformação
como a extensão por unidade de comprimento (i.e. εx= dx ), será:
xO
dx
F
=E
x0
A
Ou seja,
σ = Eε
O comportamento de plásticos sujeitos a cargas durante
intervalos curtos pode ser estudado ensaiando-os à tracção
uniaxial em condições normalizadas; estes ensaios são
realizados com velocidade de deslocamento (ou deformação)
constante
4.1 Comportamento mecânico: algumas definições (cont.)
A figura seguinte mostra o esboço de uma curva tensão-deformação para um material
polimérico. À medida que a tensão aumenta, o declive deixa de ser constante. O declive da parte
inicial da curva designa-se por módulo de elasticidade, ou módulo de Young
Verifica-se que a relação tensão-deformação pode não ser linear logo desde o início da
deformação; define-se, por isso, o módulo como o declive da secante que liga a origem da
curva tensão-deformação a um ponto arbitrário (tipicamente 0,2% ou 1% de deformação) –
módulo secante
A
E = OA = tg χ
OB
σ
χ
0
ε
B
4.2 Comportamento mecânico dos polímeros
4.2 Comportamento mecânico dos polímeros
Módulo de elasticidade:
Polímero dúctil (borracha) ≈ 7 MPa
Polímero rígido ≈ 4 Gpa
Metais: 40-400 Gpa
Tensão de rotura:
Polímeros ≤ 100 MPa
Ligas metálicas: 200-400 MPa
4.3 Variação do comportamento mecânico com a
temperatura
Curvas tensão-deformação para
o PMMA (polimetilmetacrilato)
entre 4 e 60 ºC.
Variações que se observam com
a temperatura:
Diminuição do módulo de
elasticidade
Diminuição da tensão de
rotura e cedência
Aumento do alongamento à
rotura (deformação à rotura)
4.3 Variação do comportamento mecânico com a
temperatura (cont.)
O módulo e a resistência à tracção variam na razão inversa da temperatura a que se realiza o
ensaio; a temperatura influencia profundamente o comportamento do material e, por isso,
também a forma das curvas tensão-deformação — esta influência é visível nas curvas
determinadas para o acetato de celulose (a) e o PMMA (b) a várias temperaturas:
4.4 Variação do comportamento mecânico com a velocidade
de deformação
A diminuição da velocidade da
deformação, ε , tem o mesmo efeito
que o aumento de temperatura: o
material comporta-se de forma mais
dúctil, mais deformável
4.4 Variação do comportamento mecânico com a
velocidade de deformação (cont.)
O módulo depende da velocidade do ensaio, aumentando com ela de forma não
proporcional; a velocidade muito elevada (acima de 1 m/s), as moléculas não têm tempo
de se deformar e o material torna-se rígido e frágil — caso do poli(metacrilato de metilo) –
PMMA:
4.5 Comportamento tensão-deformação para polímeros
termoplásticos amorfos
4.5 Comportamento tensão-deformação para polímeros
termoplásticos semi-cristalinos
4.6 Tipos de rotura de polímeros em tracção uniaxial
Quando os plásticos são ensaiados à tracção podem manifestar um comportamento
frágil ou dúctil, traduzido na rotura
A rotura frágil verifica-se quando o material rompe a valores muito baixos de ε, não
apresentando deformação permanente; é o caso de todos os polímeros abaixo de Tg,
nomeadamente as curvas do acetato de celulose e do PMMA a 248 e 277 K
Verifica-se a rotura dúctil quando o material pode apresentar uma deformação
plástica permanente antes de partir; podem identificar-se 4 tipos de rotura dúctil –
estiramento, estricção seguida de rotura, grande deformação sem estricção e
deformação com variação uniforme de secção
4.6 Tipos de rotura de polímeros em tracção uniaxial (cont.)
Quando há estiramento o plástico cede num ponto determinado (ponto de cedência), no qual
se forma uma estricção associada ao aparecimento de microvazios e consequente
embranqueamento; no “pescoço” assim formado as moléculas deslizam umas em relação às
outras e alinham-se na direcção de tensão, provocando cristalização induzida e tornando o
material resistente na direcção da orientação
O estiramento pode continuar até valores muito grandes da deformação ocorrendo a rotura
ao atingir-se a tensão limite; o material apresenta fibrilação na zona de rotura – caso do
polipropileno e do polietileno de alta densidade
Cedência
Cedência
σ
Rotura
ε
Rotura
σ
ε
4.6 Tipos de rotura de polímeros em tracção uniaxial (cont.)
Quando a temperatura aumenta, certos polímeros, frágeis à temperatura ambiente,
podem apresentar um comportamento dúctil do tipo estiramento; a transição frágil-dúctil
do acetato de celulose ocorre entre os 248 e os 273 K, a do PMMA perto dos 320 K
Verifica-se estricção seguida de rotura quando ocorre a rotura logo a seguir ao
aparecimento do pescoço, como, por exemplo, no PVC rígido; observa-se grande
deformação sem estricção quando, a seguir ao ponto de cedência, se formam microvazios
no interior do polímero sem que ocorra uma variação sensível da secção — é o caso do
poliestireno resistente ao impacto que, à temperatura ambiente, se deforma deste modo
até 40% de alongamento
Os polímeros pouco recticulados, como as borrachas, podem suportar grandes
deformações sem estricção, reversíveis quase até à rotura, sofrendo, contudo, uma
redução uniforme de secção; este tipo de comportamento não vai ser agora estudado